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Measurement of Atmospheric Parameters with SuperBeams: Insights from T2K Experiments

This presentation by Enrique Fernández Martínez discusses the measurement of atmospheric parameters using SuperBeams, focusing on neutrino oscillation phenomena. Key topics include oscillation parameters and their implications, experiments' setup and results, and the complexities of subleading effects in neutrino disappearance. Moreover, it delves into degeneracies of mass hierarchy and mixing angles, providing updated bounds from T2K-1, and what still remains to be understood in the context of neutrino physics.

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Measurement of Atmospheric Parameters with SuperBeams: Insights from T2K Experiments

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Presentation Transcript

  1. Measuring Atmospheric Parameters with SuperBeams Enrique Fernández Martínez Departamento de Física Teórica and IFT Universidad Autónoma de Madrid

  2. Outline • Introduction • Oscillation parameters • Experiments description • Subleading effects in nm disappearance • Dm2atm and the sign degeneracy • q23 and the octant degeneracy • The effects of q13 and d • T2K-1 bounds revised • Conclusions

  3. The oscillation parameters • What we already know • Solar sector • Atm sector • What we still don’t know • sin2q13< 0.40 • dcp • Mass hierarchy • Octant ofq23 q12 = 28º–38º q23 = 35º–55º M. C. González García hep-ph/0410030

  4. flux from p+ decay flux from p- decay Fluxes T2K-1 SPL OA2º L=295Km L=130Km flux from p+ decay at Old SPL fluxes courtesy of Gilardoni New fluxes Campagne et al. hep-ex/0411062 T2K fluxes courtesy of J.J. Gómez Cadenas

  5. 5yr exposure with a 22.5Kt water cerenkov detector for T2K-1 2yr + 8yr exposure with a 440Kt water cerenkov detector for the SPL Event Rates 4 energy bins of 200MeV Between 0.4 – 1.2GeV L=130Km L=295Km Statisticsdominated Systematics dominated

  6. The importance of energy resolution T2K-1 SPL q13 = 0º d = 0º 90% CL contours 5% systematic error and backgrounds taken into account

  7. = E 0 . 27 GeV n The importance of energy resolution T2K-1 SPL q13 = 0º d = 0º

  8. = E 0 . 27 GeV n = E 0 . 25 GeV n The importance of energy resolution T2K-1 SPL q13 = 0º d = 0º E1 = 0.4 - 0.6GeV

  9. = E 0 . 27 GeV n = E 0 . 25 GeV n The importance of energy resolution T2K-1 SPL q13 = 0º d = 0º E1 = 0.4 - 0.6GeV E2 = 0.6 - 0.8GeV

  10. = E 0 . 27 GeV n = E 0 . 25 GeV n The importance of energy resolution T2K-1 SPL q13 = 0º d = 0º E1 = 0.4 - 0.6GeV E2 = 0.6 - 0.8GeV E3 = 0.8 - 1.0GeV

  11. = E 0 . 27 GeV n = E 0 . 25 GeV n The importance of energy resolution T2K-1 SPL q13 = 0º d = 0º E1 = 0.4 - 0.6GeV E2 = 0.6 - 0.8GeV E3 = 0.8 - 1.0GeV E4 = 1.0 - 1.2GeV

  12. = E 0 . 27 GeV n = E 0 . 25 GeV n The importance of energy resolution T2K-1 SPL q13 = 0º d = 0º E1 = 0.4 - 0.6GeV E2 = 0.6 - 0.8GeV E3 = 0.8 - 1.0GeV E4 = 1.0 - 1.2GeV

  13. D æ ö L ( ) - - 2 2 2 2 ç ÷ atm q q q 1 sin 2 s sin 2 cos 2 sin2 23 23 13 23 2 è ø D æ ö L ~ ( ) [ ] - + D 2 2 2 ç ÷ sol s sin 2 q J s cos d sin L 12 23 23 atm 2 è ø 2 D æ ö L ( ) ] [ - + D 4 2 2 2 ç ÷ sol q q c sin 2 s sin 2 cos L 23 12 12 23 atm 2 è ø D 2 m D = ~ 12 = q q q q J cos sin 2 sin 2 sin 2 sol 2 E 13 13 12 23 D D æ ö 2 L m @ D = ç ÷ sol 0 . 05 23 atm 2 2 E è ø The nm disappearance channel Where sin 2q13 < 0.4 E. K. Akhmedov et al.hep-ph/0402175 A. Donini et al.hep-ph/0411402

  14. D æ ö L ( ) - 2 ç ÷ atm q 1 sin 2 sin2 23 2 è ø D æ ö L + O ç ÷ sol 2 è ø 2 D æ ö L + O ç ÷ sol 2 è ø The sign degeneracy Input: q13 = 0º d = 0º

  15. D æ ö L ( ) - 2 ç ÷ atm q 1 sin 2 sin2 23 2 è ø D æ ö L ( ) [ ] - D 2 2 ç ÷ sol s sin 2 q sin L 12 23 atm 2 è ø 2 D æ ö L + O ç ÷ sol 2 è ø The sign degeneracy Input: q13 = 0º d = 0º

  16. D æ ö L ( ) - 2 ç ÷ atm q 1 sin 2 sin2 23 2 è ø D æ ö L ( ) [ ] - D 2 2 ç ÷ sol s sin 2 q sin L 12 23 atm 2 è ø 2 D æ ö L + O ç ÷ sol 2 è ø The sign degeneracy Input: q13 = 0º d = 0º Fit assuming inverted hierarchy

  17. D æ ö L ( ) - 2 ç ÷ atm q 1 sin 2 sin2 23 2 è ø D æ ö L ( ) [ ] - D 2 2 ç ÷ sol s sin 2 q sin L 12 23 atm 2 è ø 2 D æ ö L + O ç ÷ sol 2 è ø The octant degeneracy Input: q13 = 0º d = 0º

  18. D æ ö L ( ) - 2 ç ÷ atm q 1 sin 2 sin2 23 2 è ø D æ ö L ( ) [ ] - D 2 2 ç ÷ sol s sin 2 q sin L 12 23 atm 2 è ø 2 D æ ö L + O ç ÷ sol 2 è ø The octant degeneracy Input: q13 = 0º d = 0º

  19. D æ ö L ( ) - 2 ç ÷ atm q 1 sin 2 sin2 23 2 è ø D æ ö L ( ) [ ] - D 2 2 ç ÷ sol s sin 2 q sin L 12 23 atm 2 è ø 2 D æ ö L + O ç ÷ sol 2 è ø The effect of q13 Input: q13 = 0º d = 0º

  20. D æ ö L ( ) - - 2 2 2 2 ç ÷ atm q q q 1 sin 2 s sin 2 cos 2 sin2 23 23 13 23 2 è ø D æ ö L ~ ( ) [ ] - + D 2 2 2 ç ÷ sol s sin 2 q J s cos d sin L 12 23 23 atm 2 è ø 2 D æ ö L + O ç ÷ sol 2 è ø The effect of q13 Input: q13 = 0º d = 0º Assuming q13 = 0º

  21. D æ ö L ( ) - - 2 2 2 2 ç ÷ atm q q q 1 sin 2 s sin 2 cos 2 sin2 23 23 13 23 2 è ø D æ ö L ~ ( ) [ ] - + D 2 2 2 ç ÷ sol s sin 2 q J s cos d sin L 12 23 23 atm 2 è ø 2 D æ ö L + O ç ÷ sol 2 è ø The effect of q13 Input: q13 = 0º d = 0º Assuming q13 = 0º, 2º

  22. D æ ö L ( ) - - 2 2 2 2 ç ÷ atm q q q 1 sin 2 s sin 2 cos 2 sin2 23 23 13 23 2 è ø D æ ö L ~ ( ) [ ] - + D 2 2 2 ç ÷ sol s sin 2 q J s cos d sin L 12 23 23 atm 2 è ø 2 D æ ö L + O ç ÷ sol 2 è ø The effect of q13 Input: q13 = 0º d = 0º Assuming q13 = 0º, 2º, 4º

  23. D æ ö L ( ) - - 2 2 2 2 ç ÷ atm q q q 1 sin 2 s sin 2 cos 2 sin2 23 23 13 23 2 è ø D æ ö L ~ ( ) [ ] - + D 2 2 2 ç ÷ sol s sin 2 q J s cos d sin L 12 23 23 atm 2 è ø 2 D æ ö L + O ç ÷ sol 2 è ø The effect of q13 Input: q13 = 0º d = 0º Assuming q13 = 0º, 2º, 4º, 6º

  24. D æ ö L ( ) - - 2 2 2 2 ç ÷ atm q q q 1 sin 2 s sin 2 cos 2 sin2 23 23 13 23 2 è ø D æ ö L ~ ( ) [ ] - + D 2 2 2 ç ÷ sol s sin 2 q J s cos d sin L 12 23 23 atm 2 è ø 2 D æ ö L + O ç ÷ sol 2 è ø The effect of q13 Input: q13 = 0º d = 0º Assuming q13 = 0º, 2º, 4º, 6º, 8º

  25. D æ ö L ( ) - - 2 2 2 2 ç ÷ atm q q q 1 sin 2 s sin 2 cos 2 sin2 23 23 13 23 2 è ø D æ ö L ~ ( ) [ ] - + D 2 2 2 ç ÷ sol s sin 2 q J s cos d sin L 12 23 23 atm 2 è ø 2 D æ ö L + O ç ÷ sol 2 è ø The effect of q13 Input: q13 = 0º d = 0º Assuming q13 = 0º, 2º, 4º, 6º, 8º, 10º

  26. D æ ö L ( ) - - 2 2 2 2 ç ÷ atm q q q 1 sin 2 s sin 2 cos 2 sin2 23 23 13 23 2 è ø D æ ö L ~ ( ) [ ] - + D 2 2 2 ç ÷ sol s sin 2 q J s cos d sin L 12 23 23 atm 2 è ø 2 D æ ö L + O ç ÷ sol 2 è ø The effect of d Input: q13 = 8º d = 0º Assuming d = 0º

  27. D æ ö L ( ) - - 2 2 2 2 ç ÷ atm q q q 1 sin 2 s sin 2 cos 2 sin2 23 23 13 23 2 è ø D æ ö L ~ ( ) [ ] - + D 2 2 2 ç ÷ sol s sin 2 q J s cos d sin L 12 23 23 atm 2 è ø 2 D æ ö L + O ç ÷ sol 2 è ø The effect ofd Input: q13 = 8º d = 0º Assuming d = 0º, 90º

  28. D æ ö L ( ) - - 2 2 2 2 ç ÷ atm q q q 1 sin 2 s sin 2 cos 2 sin2 23 23 13 23 2 è ø D æ ö L ~ ( ) [ ] - + D 2 2 2 ç ÷ sol s sin 2 q J s cos d sin L 12 23 23 atm 2 è ø 2 D æ ö L + O ç ÷ sol 2 è ø The effect of d Input: q13 = 8º d = 0º Assuming d = 0º, 90º, 180º

  29. T2K-1 errors revised Input: q13 = 0º q23 = 45º d = 0º 90% CL Present: Dm2 = (1.7 – 3.5)·10-3 eV2 sin22q> 0.9 tan2q= 0.53 – 2.04 Dm2 = (2.50 ± 0.06)·10-3 eV2 sin22q> 0.98 Y. Itow et al.hep-ex/0106019 Dm2 = (2.43 – 2.60)·10-3 eV2 sin22q> 0.97 tan2q= 0.73 – 1.39 Dm2 = (2.45 – 2.56)·10-3 eV2 sin22q> 0.98 tan2q= 0.76 – 1.31 Dm2 = (-2.63 – -2.49)·10-3 eV2

  30. T2K-1 errors revised Input: q13 = 0º q23 = 40º d = 0º 90% CL Present: Dm2 = (1.7 – 3.5)·10-3 eV2 sin22q> 0.9 tan2q= 0.53 – 2.04 Dm2 = (2.42 – 2.61)·10-3 eV2 sin22q= 0.94 – 0.99 tan2q= 0.62 – 0.85, 1.21 – 1.66 Dm2 = (2.44 – 2.58)·10-3 eV2 sin22q= 0.95 – 0.99 tan2q= 0.63 – 0.81,1.24 – 1.58 Dm2 = (-2.64 – -2.47)·10-3 eV2

  31. Conclusions • The measurement of q13and dwill rely heavily on an improvement of the measure of q23 and Dm223 • Precision measurements of q23 and Dm223 need energy resolution and events above and below the oscillation peak • The errors on the q23and Dm223 are somewhat larger due to the dependence of the disappearance signal on q13, dand the mass hierarchy • This dependence can be exploited combined with the appearance channel to solve degeneracies

  32. T2K-2 T2K-1 T2K-2 5% systematic error

  33. T2K-2 T2K-1 T2K-2 2% systematic error

  34. No background and no systematic Systematic 5% With Background Systematic 0% No Background Errors dominated by statistics

  35. 10% systematic Systematic 5% Systematic 10% Errors dominated by statistics

  36. Energy Resolution Figure taken from Y. Itow et al.hep-ex/0106019 Red histogram for true QE events

  37. Double energy resolution 8 bins of 100MeV 4 bins of 200MeV

  38. Double energy resolution 8 bins of 100MeV 4 bins of 200MeV

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